工程流体力学实验.doc

工程流体力学实验指导书

谢 振 华 编

北 京 科 技 大 学
土木与环境工程学院
2023 年 9 月

前 言

工程流体力学实验是《工程流体力学》课程教学的重要环节。通过实验，可以对课堂讲授的理论知识加以巩固和进一步的验证，加强理论和实践的结合，同时可以培养学生实际动手能力和分析问题、解决问题的能力，为此后的科学研究打下基础。
本实验指导书是根据教学大纲的规定，并结合实验室的具体设备编写的。实验内容涉及水静压强实验，不可压缩流体定常流动动量方程实验，雷诺实验，管路沿程阻力实验，管路局部阻力实验，毕托管测速实验，文丘里流量计实验。这些实验可以使学生掌握流体力学的实验技术和测量技巧，为进行科学实验研究做准备。
由于编者水平有限和实验设备的限制，书中局限性之处在所难免，敬请读者批评指正。

编 者
2023年7月

目 录

实验1 水静压强实验 …………………………………………………………………… 1
实验2 不可压缩流体定常流动动量方程实验 ………………………………………… 3
实验3 雷诺实验 ………………………………………………………………………… 6
实验4 管路沿程阻力实验 ……………………………………………………………… 8
实验5 管路局部阻力实验……………………………………………………………… 12
实验6 毕托管测速实验………………………………………………………………… 15
实验7 文丘里流量计实验……………………………………………………………… 17

实验1 水静压强实验

一、实验目的
1．加深理解流体静力学基本方程及等压面的概念。
2．理解封闭容器内静止液体表面压强及其液体内部某空间点的压强。
3．观测压强传递现象。
二、实验装置
实验装置如图1.1所示。
图1.1 水静压强实验装置图

三、实验原理
对密封容器（即水箱）的液体表面加压时，设液体表面压强为P0，则P0>Pa，为大气压强。从U形管中可以看到有压差产生，U形管与密封水箱上部连通的一面，液面下降，而与大气相通的一面，液面上升。密闭水箱内液体表面压强为：

式中 ——液体的重度；
——U形管中液面上升的高度。
当密闭水箱内压强P0下降时，U形管内的液面呈现相反的现象，即P0＜Pa，这时密闭水箱内液面压强为：

式中 ——U形管中液面下降的高度。
四、实验环节
1．关闭排气阀，用加压器缓慢加压，U形管出现压差。在加压的同时，观测左侧A、B管的液柱上升情况。由于水箱内部的压强向各个方向传递，在左侧的测压管中，可以看到由于A、B两点在水箱内的淹没深度h不同，在压强向各点传递时，先到A点后到B点。在测压管中反映出的是A管的液柱先上升，而B管的液柱滞后一点也在上升，当停止加压时，A、B两点在同一水平面上。
2．打开排气阀，使液面恢复到同一水平面上。关闭排气阀，打开密闭容器底部的水门，放出一部分水，导致容器内压力下降，观测U形管中液柱的变化情况。
五、分析和讨论
1．液体表面压强与表压强、真空度有什么关系？
2．用该实验装置是否可以测出其他液体的重度？为什么？

实验2 不可压缩流体定常流动动量方程实验

一、实验目的
1. 通过射流对水箱的反作用力和射流对平板的作用力验证不可压缩流体定常流动的动量方程。
2. 通过对动量与流量、流速、射流角度等因素的相关性分析，进一步掌握流体的动量守恒定理。
二、实验装置
实验装置如图2.1所示。

图2.1 动量方程实验装置简图
1.实验水箱 2.控制阀门 3.高位水孔 4.低位水孔 5.砝码 6.转动轴承 7.挡板 8.固定插销 9.水平仪 10.喷嘴 11.水泵 12.水箱 13.挡水板 14.实验台支架
三、实验原理
1．射流对水箱的反作用力原理
以水箱水面Ⅰ—Ⅰ，出口断面Ⅱ—Ⅱ及箱壁为控制面，对水平轴列动量方程：

式中 ——水箱对射流的反作用；
——水的密度；
——射流流量；
，——动量修正系数，取1；
——水箱水面的平均流速在轴的投影，取0；
——出口断面的平均流速在轴的投影。
由对转轴计算力矩求得。

式中 ——出口中心至转轴的距离；
——出口流速。
移动平衡砝码得到实测力矩：

式中 ——平衡砝码重量；
——；
——出流时（动态）砝码至转轴的距离；
——未出流时（静态）平衡砝码至转轴的距离。
2．射流对平面的作用力原理
取喷嘴出口断面Ⅰ—Ⅰ，射流表面，以及平板出流的截面Ⅱ—Ⅱ为控制面，对水平轴列动量方程：

式中 ——平板对射流的反作用力；
——喷嘴出口平均流速在轴的投影，即流速；
——Ⅱ—Ⅱ断面平均流速在轴的投影，取0。
由对转轴计算力矩求得。

式中 ——水流冲击点至转轴的距离；
——喷嘴出口的平均流速。
添加砝码得到实测力矩：

式中 ——砝码重量；
——砝码作用点到转轴的距离。
四、实验环节及注意事项
1．射流对水箱的反作用力实验
1）实验环节
① 启动进水阀门，将水箱充满水，关小阀门，使之保持较小溢流。
② 拔出插销，移动砝码，使水平仪水平，记下此时（静态）砝码位置。
③ 插上插销，将出口转至高孔位置。调节阀门，使之仍保持较小溢流。
④ 拔出插销，移动砝码，使水平仪水平，记下此时（动态）砝码的位置。
⑤ 用体积法测量流量，计算流速。
⑥ 将出口转至低孔位置，反复环节③~⑤。
2）注意事项
① 调节前，必须将插销插上。
② 拔出插销后，应用手托扶水箱，以免摆动过大损坏仪器。
2．射流对平面的作用力实验
1）实验环节
① 在拉链端部加重量50克砝码，然后启动并调节阀门，使平板保持垂直位置，记下砝码位置，用体积法测流量。
② 改变砝码重量，反复环节①。
2）注意事项
① 应缓慢启动和调节阀门。
② 注意单位换算。
五、实验数据记录及计算
1．水箱法
仪器常数：= cm，= m，= N

S
（m）

(m)

()

(m3)
t
(s)
Q
(m3/s)
v
(m/s)

()
(%)
高
孔
1

2

低孔
1

2

2.平板法
仪器常数：= m，= m

(N)

()

(m3)
t
(s)
Q
(m3/s)
v
(m/s)

(
(%)
1

2

3

六、分析和讨论
分析用动量方程求得的作用力值和实测值之间产生误差的因素。

实验3 雷诺实验

一、实验目的
1． 观测流体在不同流动状态时流体质点的运动规律。
2． 观测流体由层流变紊流及由紊流变层流的过渡过程。
3． 测定液体在圆管中流动时的下临界雷诺数
二、实验装置
实验装置如图3.1所示。

图3.1 雷诺实验装置

1.水箱及潜水泵 2.上水管 3.溢流管 4.电源 5.整流栅 6.溢流板 7.墨盒 8.墨针 9.实验管 10.调节阀 11.接水箱 12.量杯 13.回水管 14.实验桌
三、实验原理
流体在管道中流动，有两种不同的流动状态，其阻力性质也不同。在实验过程中，保持水箱中的水位恒定，即水头H不变。假如管路中出口阀门启动较小，在管路中就有稳定的平均速度，微启红色水阀门，这时红色水与自来水同步在管路中沿轴线向前流动，红颜色水呈一条红色直线，其流体质点没有垂直于主流方向的横向运动，红色直线没有与周边的液体混杂，层次分明地在管路中流动。此时，在流速较小而粘性较大和惯性力较小的情况下运动，为层流运动。假如将出口阀门逐渐开大，管路中的红色直线出现脉动，流体质点还没有出现互相互换的现象，流体的流动呈临界状态。假如将出口阀门继续开大，出现流体质点的横向脉动，使红色线完全扩散与自来水混合，此时流体的流动状态为紊流运动。
流体的雷诺数，根据连续方程：，。流量用体积法测出，即在时间内流入计量水箱中流体的体积。
，

式中 ——管路的横截面积；
——管路直径；
——流体繁荣流速；
——水的运动粘度。
四、实验环节
1．准备工作。将水箱充水至经隔板溢流流出，将进水阀门关小，继续向水箱供水，以保持水位高度H不变。
2．缓慢启动阀门7，使玻璃管中水稳定流动，并启动红色阀门9，使红色水以微小流速在玻璃管内流动，呈层流状态。
3．开大出口阀门7，使红色水在玻璃管内的流动呈紊流状态，再逐渐关小出口阀门7，观测玻璃管中出口处的红色水刚刚出现脉动状态但还没有变为层流时，测定此时的流量，计算出下临界流速。反复做三次，即可算出下临界雷诺数。
五、实验数据记录及计算
d = mm 水温 = ℃
实验次数
（m3）
（s）
Q（m3/s）
（m/s）
（m2/s）

1

2

3

下临界雷诺数的计算公式为：

实验4 管路沿程阻力实验

一、实验目的
1． 验证沿程水头损失与平均流速的关系。
2． 测定不同管路的沿程阻力系数。
3． 对照雷诺实验，观测层流和紊流两种流态及其转换过程。
二、实验装置
实验装置如图4.1所示。

图4.1 阻力综合实验装置

1.水泵电机 2.水泵 3.循环储水箱 4.计量水箱 5.孔板及比托管实验管段进水阀 6.阀门阻力实验管段进水阀 7.D=14mm沿程阻力实验管段进水阀 8.D=14mm沿程阻力实验管段 9.阀门阻力实验管段 10.孔板流量计 11.比托管 12.测阻阀门 13.测压管及测压管固定板 14.D=14mm沿程阻力实验管段出水阀 15阀门阻力实验管段出水阀 16.孔板及比托管实验管段出水阀 17.文丘里实验管段出水阀 18.D=10mm沿程阻力实验管段出水阀 19.管支架 20.D=10mm沿程阻力实验管段 21.文丘里流量计 22排水阀门
三、实验原理
1．沿程水头损失与流速的关系
对沿程阻力两测点的断面列伯努利方程

因实验管段水平，且为均匀流动，所以

由此得

即管路两点的沿程水头损失等于测压管水头差。
由此式求得沿程水头损失，同时根据实测流量计算平均流速，将所得和数据绘在对数坐标纸上，就可拟定沿程水头损失与平均流速的关系。
2．沿程阻力系数的测定
由上面的分析可以得到：

由达西公式：

用体积法测得流量，并计算出断面平均流速，即可求得沿程阻力系数：

四、实验环节
1． 沿程水头损失与流速的关系实验
1）实验前准备工作。将实验台个阀门置于关闭状态，启动实验管道阀门，将泵启动，检查系统是否有泄露；排放导压胶管中的空气。
2）启动调节阀门，测读测压计水面差。
3）用体积法测量流量，并计算出平均流速。
4）将实验的与计算得出的值标入对数坐标纸内，绘出关系曲线。
5）调节阀门逐次由大到小，共测定10次。
2． 沿程阻力系数的测定实验
1）本实验共进行粗细不同管径的两组实验，每组各作出6个实验。
2）启动进水阀门，使压差达成最大高度，作为第一个实验点。
3）测读水柱高度，并计算高度差。
4）用体积法测量流量，并测量水温；
5）用不同符号将粗细管道的实验点绘制成对数曲线。
五、实验数据记录及分析
1．沿程水头损失与流速的关系实验数据及计算如表4.1所示，关系曲线如图4.2所示。
仪器常数：d = cm, A = cm2 L= m, t= ℃
表4.1 数据表
No
h1
（cm)
h2
(cm)
hf
(cm)

V
(cm3)
t
(s)
Q
(cm3/s)

(cm/s)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

图4.2 关系曲线

2．沿程阻力系数的测定实验数据及计算如表4.2所示，关系曲线如图4.3所示。
仪器常数： d粗 = cm， d细 = cm， = m
t = ℃ = N/m3
表4.2 数据表
类别
No
h1
(cm)
h2
(cm)
h汞
(cm)
h水
(cm)
V
(cm3)
t
(s)
Q
(cm3/s)

(cm/s)
Re
lgRe

lg(
100)
粗

管
1

2

3

4

5

6

细

管
1

2

3

4

5

6

图4.3 关系曲线

实验5 管路局部阻力实验

一、实验目的
1． 掌握三点法、四点法测量局部阻力系数的技能。
2． 通过对圆管突扩局部阻力系数的包达定理和突缩局部阻力系数的经验公式的实验验证与分析，熟悉用理论分析法和经验法建立函数式的途径。
3． 加深对局部阻力损失机理的理解。
二、实验装置
实验装置同实验4，如图4.1所示。
三、实验原理
写出局部阻力前后两断面的伯努利方程，根据推导条件，扣除沿程水头损失可得局部水头损失。
1． 忽然扩大沿程水头损失与流速的关系
采用三点法计算，下式中由按流长比例换算得出：
实测

理论

2． 忽然缩小
采用四点法计算，下式中点为突缩点，由hf3-4换算得出，由换算得出。
实测

经验

四、实验环节
1．测记实验有关常数。
2．打开水泵，排除实验管道中的滞留气体及测压管气体。
3．打开出水阀至最大开度，等流量稳定后，测记测压管读数，同时用体积法计量流量。
4．改变出水阀开度3~4次，分别测记压管读数及流量。
五、实验数据记录及计算
1． 记录、计算有关常数：
cm， cm， cm，
cm， cm， cm， cm， cm， cm，，
2． 实验数据记录见表5.1，实验数据计算结果如表5.2所示。
3． 将实测局部阻力系数与理论值或经验值进行比较。
表5.1 实验数据登记表
顺序
流量（cm3/s）
测 压 管 读 数 cm
体积
时间
流量

表5.2 计算表
阻力
形式
顺序
流量
cm3/s
前断面
后断面

忽然扩大

忽然缩小

六、分析和讨论
1．根据实验成果，分析比较突扩与突缩在相应条件下的局部损失大小关系。
2．结合流动演示的水力现象，分析局部阻力损失机理何在？产生突扩与突缩局部阻力损失的重要部位在那里？如何减小局部阻力损失？
3．现有一段与调节阀相连，内径与实验管道相同的直管段（见图4.1），如何用两点法测量阀门的局部阻力系数？

实验6 毕托管测速实验

一、实验目的
1． 通过对管嘴淹没出流流速及流速系数的测量，掌握用毕托管测量某一点流速的技能。
2． 了解普朗特型毕托管的构造和合用性，并检查其测量精度，进一步明确传统流体力学测量仪器的现实作用。
二、实验装置
实验装置同实验4，如图4.1所示。
三、实验原理
用毕托管测量流速时，

式中 ——毕托管测点处的流速；
——毕托管的流速校正系数；
——毕托管的全压水头与静水压水头差；
——仪器常数，。
对管嘴出流：

式中 ——测点处流速，由毕托管测定；
——管嘴的流速系数；
——管嘴的作用水头。
联立解以上两式，可得：

四、实验环节
1．打开水泵和出水阀，读取管嘴的上下游水位和毕托管水头。
2．调节出水阀，再反复环节1）三次。
五、实验数据记录及计算
1．计算常数。毕托管的校正系数 = ，常数 = cm0.5/s。
2．实验数据记录及计算见表6.1。
表6.1 数据表
实验
顺序
上下游水位差
(cm)
毕托管水头差
(cm)
测点流速

测点流速系数

H1
H2

H3
H4
h
1

2

3

4

实验7 文丘里流量计实验

一、实验目的
1．通过测定流量系数，掌握文丘里流量计测量管道流量的技术。
2．验证能量（伯努利）方程的对的性。
二、实验装置
实验装置同实验4，如图4.1所示。
三、实验原理
二 实验原理
根据伯努利方程和连续性方程，可得不计阻力作用的文丘里管过水能力关系式为：

式中 ，为仪器常数；
，为两断面测压管水头差。
由于阻力的存在，实际通过流量恒小于。引入无量纲系数 (称为文丘里流量修正系数，简称流量系数)，则有：

四、实验环节
1．测计各有关常数。
2．打开水泵，调节进水阀门，全开出水阀门，使压差达成测压计可测量的最大高度。
3．测读压差，同时用体积法测量流量。
4．逐次关小调节阀，改变流量7~9次，注意调节阀门应缓慢。
5．把测量值记录在实验表格内，并进行有关计算。
6．如测管内液面波动时，应取平均值。
五、实验数据记录及计算
1．记录计算有关数据。 实验装置台No
= cm， = cm， 水温 = ℃，水箱液面标尺值 = ，管轴线高程标尺值 = cm。常数 = cm0.25/s。
2．整理记录计算表如表7.1、表7.2。
表7.1 登记表
次
序
测压管度数
水量
(cm3)
测量时间
(s)
h1
h2
h3
h4
1

2

3

4

5

6

7

8

9

表7.2 计算表
次
序

(cm3/s)
=
(h1-h2+h3-h4)
(cm)

(cm3/s)

1

2

3

4

5

6

7

8

9